EP1478953B1 - Monochromatorspiegel für den euv-spektralbereich - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to a mirror for the EUV spectral range, which ensures monochromatization of the EUV radiation.
- Optics in the EUV spectral range which extends from approx. 5 nm to 40 nm, are based on multilayer mirrors. These consist of alternating layer systems of two materials, which differ as far as possible in their optical constants.
- EUV radiation for example in the field of materials research, X-ray astronomy or the development of X-ray microscopes, a monochromatization of EUV radiation is required. It is necessary to reduce the half width of the reflection of multilayer mirrors.
- Object of the present invention is to provide a multilayer mirror, which has a low half-width of its reflection in the EUV spectral range and has a high reflectivity in a wide range of angles of incidence. It should also be avoided the limitations and disadvantages of the said prior art.
- the layer arrangement comprises a periodic sequence of two each a period with the periodic indicia d forming individual layers A and B of different materials with the respective layer thickness d A and d B , so that the following applies: 0 . 97 ⁇ d A + d B ⁇ d ⁇ ( d A + d B ) 1 .
- n A and n B are the real parts of the complex refractive indices of the materials of the single layers A and B
- m is an integer representing the order of Bragg reflection greater than or equal to 2
- ⁇ is the wavelength of the incident radiation and ⁇ is the angle of incidence of the incident radiation.
- the multilayer mirror acts as monochromator - whereby the construction of optics in the EUV spectral range, for example, at synchrotron radiation sources and in EUV spectrometers on plasma sources, in which the monochromatization of EUV radiation usually different types of grids are used, significantly simplified, since the multilayer mirror at the same time as a monochromator and as Strahlclientdes Element can be used. An extension of the beam path by an additional grid is no longer necessary.
- the desired effect is also achieved for the general case of oblique wave incidence.
- FIG. 1 schematically shows by way of example the layer structure of a multilayer monochromator mirror for the EUV spectral range.
- a cover layer D which consists for example of silicon, are in periodic succession of individual layers A and B, which together form a period and wherein each black layer A, the absorber layer with the thickness d A and the white layer B shown in each case represents the spacer layer with the thickness d B.
- the period thickness d results from the sum of the layer thicknesses d A and d B.
- the absorber layer A consists approximately of molybdenum and the spacer layer B, for example, of silicon.
- the substrate S is designed here as a silicon wafer.
- the number of periods consisting of layers A and B is for example 40, so that the penetration depth of the radiation is maximally utilized.
- the multilayer monochromator mirror shown schematically in FIG. 1 uses the second or a higher order of the Bragg reflection.
- the layer thickness ratio ⁇ d A / d is chosen in each period so that ⁇ ⁇ 0 . 8th / m is satisfied. Even better results can be achieved by choosing ⁇ ⁇ 0.5 / m.
- the spacer material is chosen to have only a very low absorption at a multilayer mirror, the reflectivity is not reduced so much as if the two layer thicknesses were increased in the same ratio to the reflection in a higher order to achieve a multilayer mirror first order.
- the half-width was thus reduced to less than half, or less than one third.
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Description
- Die Erfindung betrifft einen Spiegel für den EUV-Spektralbereich, der eine Monochromatisierung der EUV-Strahlung gewährleistet.
- Optiken im EUV-Spektralbereich, welcher sich von ca. 5 nm bis 40 nm erstreckt, basieren auf Multilayerspiegeln. Diese bestehen aus alternierenden Schichtsystemen zweier Materialien, die sich in ihren optischen Konstanten möglichst weit unterscheiden. Für einige Anwendungen von EUV-Strahlung, beispielsweise im Bereich der Materialforschung, der Röntgenastronomie oder der Entwicklung von Röntgenmikroskopen, ist eine Monochromatisierung der EUV-Strahlung erforderlich. Es ist hierfür erforderlich, die Halbwertsbreite der Reflexion von Multilayerspiegeln zu reduzieren.
- Für diese Reduzierung der Halbwertsbreite sind in der Literatur zwei Ansätze bekannt:
- Aus R. Benbalagh, J.M. Andre, R. Barchewitz, M.F. Ravet, A. Raynal, F. Delmotte, F. Nridou, G. Julie, A. Bosseboeuf, R. Laval, P. Troussel, Nucl. Inst. Meth. Phy. Res. A 458 (3) (2001), 650-655, ist bekannt, bei einem Multilayerspiegel der Materialkombination Molybdän/Silizium eine laterale Strukturierung durch reaktives Ionenätzen vorzunehmen und damit eine Verringerung der Halbwertsbreite der Reflexion des Multilayerspiegels um den Faktor 3 gegenüber der vollen Halbwertsbreite der Reflexion eines für maximale Reflektivität optimierten Molybdän/Silizium-Multilayerspiegels zu erreichen.
- Dieses Verfahren weist jedoch die Nachteile auf, daß die lithographische Strukturierung des Multilayers sehr aufwendig ist und ferner, daß bei einem solchen Multilayerspiegel eine erhebliche Verringerung der Reflektivität auf R=2% bei einem Einfallswinkel von ca. 45° zu beobachten ist - im Vergleich dazu weist ein entsprechender, nicht derart lithographisch strukturierter Multilayerspiegel bei gleichem Einfallswinkel eine Reflektivität von R=40% auf.
- Aus Y.C. Lim, T. Westerwalbesloh, A. Aschentrup, O. Wehmeyer, G. Haindl, U. Kleineberg, U. Heinzmann, Appl. Phys. A72(2001), 121-124, ist bekannt, eine Reduzierung der Halbwertsbreite der Reflexion von Molybdän/Silizium-Multilayerspiegeln durch eine Verringerung der Schichtdicke der Molybdän-Teilschichten zu erreichen. In der Praxis zeigt sich allerdings, daß eine Verringerung der Molybdän-Schichtdicke nur begrenzt möglich ist, da diese bereits für einen Standard-Multilayerspiegel nur ca. 3 nm beträgt.
- Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Multilayerspiegel anzugeben, welcher eine geringe Halbwertsbreite seiner Reflexion im EUV-Spektralbereich aufweist und in einem weiten Bereich von Einfallswinkeln eine hohe Reflektivität aufweist. Es sollen ferner die Begrenzungen und Nachteile des genannten Standes der Technik vermieden werden.
- Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die kennzeichnenden Merkmale des Hauptanspruches in Verbindung mit dem Oberbegriff.
- Dadurch, daß die Schichtanordnung eine periodische Abfolge von je zwei eine Periode mit der Periodendikke d bildenden Einzelschichten A und B unterschiedlicher Materialien mit der jeweiligen Schichtdicke dA und dB aufweist, so daß gilt:
mit
wobei nA und nB die Realteile der komplexen Brechungsindizes der Materialien der Einzelschichten A und B sind, m eine die Ordnung der Bragg-Reflexion repräsentierende Ganzzahl größer oder gleich 2 sowie λ die Wellenlänge der einfallenden Strahlung und θ der Einfallswinkel der einfallenden Strahlung ist, wird eine deutliche Reduktion der Halbwertsbreite der Reflexion des erfindungsgemäßen Spiegels erreicht, indem dieser so entstandene Multilayerspiegel in der 2. oder höheren Ordnung der Bragg-Reflexion verwendet wird. Durch diese auf der Bragg-Reflexion höherer Ordnung basierende Reduktion der Halbwertsbreite wirkt der Multilayerspiegel als Monochromator - wodurch sich der Aufbau von Optiken im EUV-Spektralbereich, z.B. an Synchrotronstrahlungsquellen und in EUV-Spektrometern an Plasmaquellen, bei denen zur Monochromatisierung von EUV-Strahlung üblicherweise verschiedene Arten von Gittern verwendet werden, wesentlich vereinfacht, da sich der Multilayerspiegel gleichzeitig als Monochromator und als strahlführendes Element verwenden läßt. Eine Verlängerung des Strahlenganges durch ein zusätzliches Gitter ist nicht mehr notwendig. - Durch die Berücksichtigung des Einfallswinkels θ wird der gewünschte Effekt dabei auch für den allgemeinen Fall des schrägen Welleneinfalls erzielt.
- Wie aus der Bedingung des Hauptanspruches zu entnehmen ist, ist für die Erreichung der Reflektivität einer höheren Bragg-Ordnung eine Vervielfachung der Periodendicke erforderlich, was im Regelfall zu einer Verminderung der Reflektivität des Multilayerspiegels führt.
- Diese Verminderung der Reflektivität bei Vervielfachung der Periodendicke wird erfindungsgemäß dadurch begrenzt, daß bei vorgenannter Vervielfachung nur die Dicke der Einzelschicht B (Spacer-Schicht) erhöht wird, während die Dicke der Einzelschicht A (Absorber-Schicht) im Vergleich zu einem entsprechenden Multilayerspiegel, welcher eine Bragg-Reflexion erster Ordnung verwendet, gleich bleibt, also dadurch, daß das Schichtdickenverhältnis Γ=dA/d stets kleiner ist als 0,8/m, wobei m eine die Ordnung der Bragg-Reflexion repräsentierende Ganzzahl größer oder gleich 2 ist.
- In einer vorteilhaften Weiterbildung nach Anspruch 2 können noch bessere Ergebnisse erzielt werden, wenn für das Schichtdickenverhältnis Γ gilt, daß es stets kleiner ist als 0,5/m.
- Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der nachfolgenden Figur 1 dargestellt; die Erfindung wird anhand dieser Figur anschaulich erläutert. Es zeigen:
- Figur 1
- einen schematischen Querschnitt durch einen Monochromator-Multilayerspiegel;
- Figur 2
- ein Diagramm mit experimentell gemessenen Reflexionswerten.
- In Figur 1 ist beispielhaft schematisch der Schichtaufbau eines Multilayer-Monochromatorspiegels für den EUV-Spektralbereich dargestellt. Unter einer Deckschicht D, die beispielsweise aus Silizium besteht, befinden sich in periodischer Folge Einzelschichten A und B, welche jeweils zusammen eine Periode bilden und wobei die jeweils schwarz dargestellte Schicht A, die Absorberschicht mit der Dicke dA und die jeweils weiß dargestellte Schicht B die Spacer-Schicht mit der Dicke dB darstellt. Es ergibt sich die Periodendicke d aus der Summe der Schichtdicken dA und dB.
- In der Zeichnung sind schematisch vier solcher Perioden aus den Schichten A und B bestehend dargestellt, wobei die unterste Schicht mit dem Substrat S eine Grenzfläche bildet. Die Schichtdicken dA und dB sind jeweils in allen Perioden gleich, so daß die jeweilige Periodendicke d insgesamt eine Größenabweichung von höchstens ± 1% aufweist und somit diese etwaige fertigungsbedingte Größenabweichung dennoch die Funktionsfähigkeit der Erfindung gewährleistet.
- In praktischer Ausführung besteht die Absorberschicht A etwa aus Molybdän und die Spacer-Schicht B beispielsweise aus Silizium. Das Substrat S ist hier als Silizium-Waver ausgebildet. Die Anzahl der aus den Schichten A und B bestehenden Perioden ist beispielsweise 40, so daß die Eindringtiefe der Strahlung maximal ausgenutzt wird.
- Der in Figur 1 schematisch dargestellte Multilayer-Monochromatorspiegel verwendet die zweite oder eine höhere Ordnung der Bragg-Reflexion. Die Schichtdicke d jeder der Perioden ist hier der Idealwert d=dA+dB mit nAdA+nBdB=m*λ/2, wobei die komplexen Brechungsindizes der Materialien der Einzelschichten A und B gegeben seien durch ñA=nA+ikA und ñB=nB+ikB, so daß sich nA und nB direkt aus den Realteilen der komplexen Brechungsindizes ergeben, und wobei ferner m eine die Ordnung der Bragg-Reflexion repräsentierende ganze Zahl größer oder gleich 2 ist und λ die Wellenlänge der einfallenden Strahlung, die durch den Monochromator-Spiegel möglichst ungedämpft reflektiert werden soll.
- Um gegenüber einem gewöhnlichen Multilayerspiegel mit einer Reflexion der ersten Bragg-Ordnung die Periodendicke zu vervielfachen, so daß die Reflexion der zweiten oder höheren Bragg-Ordnung erreicht wird und die damit einhergehende Reduzierung der Halbwertsbreite, so wie es in dem vorstehenden Formelausdruck formuliert wurde, dabei jedoch die Reflekivität des Spiegels im Reflexionsmaximum möglichst weitgehend zu erhalten, wird zur Vervielfachung der Periodendicke nur die Dicke der Spacerschicht B erhöht, während die Dicke der Absorberschicht A im Vergleich zum vorgenannten Multilayerspiegel erster Ordnung nicht verändert wird. Es wird also in jeder Periode das Schichtdickenverhältnis Γ=dA/d so gewählt, daß
erfüllt ist. Noch bessere Ergebnisse können erzielt werden durch die Wahl von Γ < 0,5/m. - Da das Spacer-Material bei einem Multilayerspiegel so gewählt wird, es nur eine sehr geringe Absorption aufweist, reduziert sich auf diese Weise die Reflektivität bei weitem nicht so stark, als wenn beide Schichtdicken im gleichen Verhältnis erhöht würden, um die Reflexion in einer höheren Ordnung gegenüber einem Multilayerspiegel erster Ordnung zu erreichen.
- Bei einer Simulation, der ein solcher Multilayer-Monochromatorspiegel mit Molybdän als AbsorberSchicht und Silizium als Spacer-Schicht mit 50 Perioden und einer gewählten Wellenlänge von 13,5 nm zugrunde gelegt wurde und bei der Rauhigkeit und Interdiffusionsschichten an den Molybdän/Silizium-Grenzflächen vernachlässigt wurden, ergeben sich die mit der beschriebenen Anordnung theoretisch erreichbare Maximal-Reflektivität und die volle Halbwertsbreite der Peaks (FWHM - Full Width At Half Maximum) über die verschiedenen Bragg-Ordnungen m und die daraus folgenden Schichtdicken der Spacer-Schichten B wie in Tabelle 1. Schon in der zweiten Bragg-Ordnung läßt sich eine Reduzierung der Halbwertsbreite um etwa einen Faktor 2 erzielen. Selbst in der zehnten Bragg-Ordnung ist noch eine Reflektivität von mehr als 25% erreichbar.
Tabelle 1: M dsi dMo Periode d Γ Rmax FWHM (nm) (nm) (nm) (%@13,5nm) (nm) 1 3,92 3,00 6,92 0,43 75,6 0,631 2 10,7 3,00 13,7 0,22 65,7 0,327 3 17,5 3,00 20,5 0,17 57,4 0,220 5 31,0 3,00 34,0 0,096 44,4 0,137 10 64,8 3,00 67,8 0,046 25,2 0,080 - In einer praktischen Realisierung eines solchen Multilayer-Monochromatorspiegels für die Reflexionen in der zweiten bzw. dritten Bragg-Ordnung und mit einem Schichtdesign, wie es den in Tabelle 1 für m=2 und m=3 angegebenen Werten entspricht, konnten die im Diagramm in Figur 2 dargestellten Reflektivitätswerte dieser Schicht-Systeme im EUV-Bereich in Abhängigkeit von der Wellenlänge gemessen werden. Es ist deutlich zu erkennen, wie um die gewählte Wellenlänge λ von 13,5 nm ein enges Maximum an Reflektivität erreicht wird und damit die gewünschte Monochromatisierung um die gewünschte Wellenlänge λ.
- Die volle Halbwertsbreite der Reflektivität beträgt hier 0,277 nm für die Bragg-Ordnung m=2 bei einer maximalen Reflektivität von R=53,5% und 0,188 nm für m=3 bei einer maximalen Reflektivität von R=45,3%. Gegenüber einem herkömmlichen Multilayerspiegel mit einer Bragg-Reflexion der ersten Ordnung, wurde die Halbwertsbreite also auf weniger als die Hälfte, bzw. auf weniger als ein Drittel, reduziert.
Claims (5)
- Monochromatorspiegel für den EUV-Spektralbereich zur Reflexion einer Strahlung mit einer Wellenlänge λ von 13,5 nm und einem seukrechten Einfallswinkel θ mit einer auf ein Substrat aufgebrachten Schichtanordnung, die eine Abfolge von Einzelschichten aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtanordnung eine periodische Abfolge von zwei eine Periode mit der Periodendicke d bildenden Einzelschichten A und B unterschiedlicher Materialien mit der jeweiligen Schichtdicke dA und dB aufweist, so dass gilt:
mit
wobei nA und nB die Realteile der komplexen Brechungsindizes der Materialien der Einzelschichten A und B sind, m eine die Ordnung der Bragg-Reflexion repräsentierende Ganzzahl größer oder gleich 2, und wobei ferner für das Schichtdickenverhältnis Γ = dA/d gilt: - Monochromatorspiegel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialien der Einzelschichten A und B Molybdän und Silizium sind.
- Monochromatorspiegel nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Oberfläche der entfernt zum Substrat liegenden Schicht eine Deckschicht angeordnet ist.
- Verfahren zum Designen eines Spiegels zum Monochromatisieren einer EUV-Strahlung einer vorgegebenen Wellenlänge λ unter einem vorgegebenen Einfallswinkel θ, wobei eine auf ein Substrat aufgebrachte Schichtanordnung mit einer periodischen Abfolge von zwei eine Periode mit der Periodendicke d bildenden Einzelschichten A und B unterschiedlicher Materialien mit der jeweiligen Schichtdicke dA und dB vorgesehen wird und wobei das Schichtdickenverhältnis Γ = dA/d vorgegeben wird zu
und
und
erfüllt wird, wobei nA und nB die Realteile der komplexen Brechungsindizes der Materialien der Einzelschichten A und B sind und m eine die Ordnung der Bragg-Reflexion repräsentierende Ganzzahl größer oder gleich 2 ist und wobei die Schichtdicke dA im Vergleich zu der Schichtdicke dA für m=1 bei dem vorgegebenen Einfallswinkel und der vorgegebenen Wellenlänge nicht verändert wird. - Verfahren nach Anspruch 4, wobei als Materialien der Einzelschichten A und B Molybdän und Silizium gewählt werden.
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